Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lopes, Susana Fernandes
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/38246
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
id RCAP_d63f48f62499602bd4f40d36dc7bd51a
oai_identifier_str oai:repositorio.ul.pt:10451/38246
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Development of a low-cost Star Trackers for CubeSatsStar trackerAtitudeCubesatsTeses de mestrado - 2019Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasTese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019A presente dissertação de mestrado foi desenvolvida em parceria com a empresa Omnidea, Lda e tem como principal objectivos desenvolver e testar um protótipo de desenvolvimento de um star tracker de baixo custo para ser implementado em missões cubeSat. Um star tracker é um instrumento que permite extrair a atitude de um satélite, ou seja, a direcção para a qual este está a apontar. O star tracker é actualmente o sensor mais caro e mais exacto para extracção da atitude e o seu funcionamento assemelha-se ao de uma câmara digital. A determinação de atitude com um star tracker inicia-se quando uma imagem das estrelas no campo de visão do sensor de imagem é extraída. Posteriormente, um algoritmo identifica as estrelas com base nas distâncias relativas entre estrelas vizinhas e calcula a atitude. Este processo é extremamente rápido, não durando mais do que fracções de segundo. Dada a expansão actual do mercado dos satélites inferiores a 100Kg, e em específico dos cubeSats, é de alta prioridade construir um star tracker que possa ser usado em missões de baixo custo desenvolvidas por pequenas empresas e universidades. Na presente dissertação é apresentada uma revisão do estado de arte de sensores de controlo de atitude para satélites, de forma a definir os requisitos pretendidos para o protótipo de desenvolvimento do star tracker. Com base na revisão feita, foi escolhido um sensor de imagem CMOS monocromático de 10MP fabricado pela Aptina (actual On-Semiconductor), juntamente com um sistema de lentes de baixo custo com um f-number de 1.6 e 35mm de distância focal. O sistema final tem um campo de visão de cerca de 10º. A carta electrónica associada ao sensor de imagem faz interface com um driver (ArduCAM USB camera shield), que permite a sua fácil implementação. Com o ArduCAM USB camera shield, o sensor de imagem pode ser manipulado através de ligação USB com um computador portátil ou computadores embebidos como o Beaglebone ou o Raspberry Pi. De forma a entender os limites de funcionamento do sensor para a sua aplicação enquanto star tracker, foi feita uma caracterização do seu ruído e um estudo teórico de fotometria estrelar. O algoritmo seleccionado para identificação das estrelas é o Tetra, que é um recente algoritmo desenvolvido por dois estudantes da universidade do MIT, nos Estados Unidos. Este algoritmo tem como base de funcionamento o algoritmo utilizado pelo Astrometry.net, uma ferramenta online de indentificação de corpos celestes. O algoritmo tetra utiliza como base de dados um catálogo com 9100 estrelas. De forma a testar o seu funcionamento com um catálogo mais amplo e recente (Hipparcos), com mais de 118218 estrelas, foram feitas alterações ao código do algoritmo Tetra. A performance do star tracker é testada com ambas as versões do algoritmo para diversas imagens. Numa fase final, o sensor de imagem e sistema de lentes foram ligados a um computador embebido Raspberry Pi. Um programa que une o código de funcionamento da ArduCAM USB camera shield ao algoritmo Tetra permite que o star tracker funcione de forma autónoma, através do envio de comandos de um portátil para o Raspberry Pi via Wi-Fi. Uma caixa de protecção e suporte ao sensor de imagem e à board ArduCAM USB camera shield foi desenvolvido na fresadora manual da faculdade, de forma a garantir a protecção dos componentes electrónicos mediante exposição ao ambiente exterior. O star tracker foi testado em ambiente nocturno, o mais longe possível de poluição luminosa, de forma a comprovar o seu funcionamento e estudar a sua performance.This master thesis was developed in partnership with Omnidea, Lda. The main goal of this work is to develop (design and test) a prototype of a low cost star tracker for cubeSat missions. A star tracker is an instrument that can be assembled in satellites and allows to extract their attitude. The attitude is defined as the direction the cubeSat is pointing, with respect to a reference. The determination of a satellite’s attitude is made using the stars present in the field of view of the star tracker. An algorithm identifies stars by comparing the distance between neighbor stars with an internal catalog and computes attitude. The star tracker is currently the most expensive and accurate type of sensor for attitude determination. Since the cubeSats market has been evolving exponentially in the past years, it became high priority and mandatory to develop a star tracker that can be used in low cost missions developed by small companies and universities. In this thesis a literature research about attitude determinations sensors was made. From this review, the star tracker’s requirements were defined. Based on the requirements, the main parts chosen for the star tracker prototype to be developed consisted on a 10MP monochromatic CMOS image sensor from Aptina (actual On-Semiconductor), along with a low-cost lens system with a f-number of 1.6 and 35mm of focal distance. Considering the lens system’s focal length and the sensor’s size, the final system has an approximated field of view of 10_. The image sensor’s board is connected to a driver (ArduCAM USB camera shield), that allows its easy implementation. The image sensor can be controlled through an USB connection to a laptop, Beaglebone or Raspberry Pi. At this point, a theoretical study of stellar photometry is made, along with an experimental study of the image sensor’s noise. Both studies complement each other and allow to understand how the sensor behaves as a star tracker. The selected algorithm to star identification is Tetra, a recent algorithm developed by two MIT students in the United states. This algorithm uses an internal catalog of 9100 stars. In order to test the code with a more extended and recent catalog (Hipparcos), with about 118218 stars, alterations were made in the original Tetra algorithm. Both versions of the algorithm are tested with several images in a way to study their performance. In a final phase, the image sensor and lens system are finally implemented in Raspberry Pi. A program that links the ArduCAM USB camera shield’s code and Tetra algorithm allows the star tracker to work in an autonomous way, using only user commands sent through a laptop to Raspberry Pi using Wi-Fi. A protection case was design and built using the university’s manual milling machine. This case allows the electronic components to be safe when the star tracker is exposed to the humidity of the nocturnal environment. The star tracker was finally tested in the night sky, the furthest possible from light pollution, in order to test is performance and functioning.Gordo, PauloAmorim, António,1961-Repositório da Universidade de LisboaLopes, Susana Fernandes2022-05-15T00:30:20Z201920192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/38246TID:202260160enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:35:52Zoai:repositorio.ul.pt:10451/38246Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:52:06.596230Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
title Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
spellingShingle Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
Lopes, Susana Fernandes
Star tracker
Atitude
Cubesats
Teses de mestrado - 2019
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias
title_short Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
title_full Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
title_fullStr Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
title_full_unstemmed Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
title_sort Development of a low-cost Star Trackers for CubeSats
author Lopes, Susana Fernandes
author_facet Lopes, Susana Fernandes
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Gordo, Paulo
Amorim, António,1961-
Repositório da Universidade de Lisboa
dc.contributor.author.fl_str_mv Lopes, Susana Fernandes
dc.subject.por.fl_str_mv Star tracker
Atitude
Cubesats
Teses de mestrado - 2019
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias
topic Star tracker
Atitude
Cubesats
Teses de mestrado - 2019
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias
description Tese de mestrado integrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
publishDate 2019
dc.date.none.fl_str_mv 2019
2019
2019-01-01T00:00:00Z
2022-05-15T00:30:20Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10451/38246
TID:202260160
url http://hdl.handle.net/10451/38246
identifier_str_mv TID:202260160
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1799134457492406272

Registros relacionados